智能变电站技术 南京理工大学

1第六章智能变电站对时同步技术主要内容概述电力系统的时间同步系统智能变电站的对时方式智能变电站采样同步技术2第六章智能变电站对时同步技术一、概述1对时在电力系统中的作用高精度的时间同步系统可确保电力系统实时数据采集的一致性，可提高电网运行效率和可靠性，提高电网事故分析和稳定控制的水平，提高线路故障测距、相量和功角动态监测、机组和电网参数校验的准确性。3第六章智能变电站对时同步技术一、概述2时间的基本概念时间是物理学的一个基本参量，也是物理存在的基本形式之一，即所谓空间坐标的第四维。时间表示物质运动的连续性和事件发生的次序和久暂，时间最大的特点是不可能保持恒定不变。“时间”包含两个概念：间隔和时刻前者描述物质运动的久暂，后者描述物质运动在某一瞬间对应于绝对时间坐标的读数，也就是描述物质运动在某一瞬时到时间坐标原点（历元）之间的距离。4第六章智能变电站对时同步技术一、概述2时间的基本概念天文时：通过观测天文现象——日月星辰的周期性运动得到的时间统称为“天文时”。天文时可分为真太阳时、平太阳时、恒星时、地方时、世界时和历书时等不同的计量时间的系统。5第六章智能变电站对时同步技术一、概述2时间的基本概念真太阳时：太阳圆面中心在天球上连续两次通过某地子午线的时间间隔，称为一个真太阳时。缺点：由于地球自转存在不均匀性，故真太阳时的均匀性太差，不能作为时间计量单位。6第六章智能变电站对时同步技术一、概述2时间的基本概念平太阳时：天球上的一个假想点，它在赤道上运动的速度是均匀的，且与真太阳时的平均速度一致，其解决了真太阳时作为时间的不均匀性，因此得到了各国的广泛认可。7第六章智能变电站对时同步技术一、概述2时间的基本概念恒星时：从地球相对于恒星自转得到的时间系统。在天文学上我们把平春分点相对于某一固定子午圈连续两次上中天的时间间隔叫做一个平恒星时。8第六章智能变电站对时同步技术一、概述2时间的基本概念世界时：天文学界规定了在英国格林尼治天文台观测得到的由平子夜起算的平太阳时叫做世界时，记为UT，并一直沿用今天。通过观测恒星直接得到的世界时称为UT0。9第六章智能变电站对时同步技术一、概述2时间的基本概念世界时UT1、UT2地球的自转轴不是固定不变的，因此需对UT0进行极移修正，并将经过修正得到的世界时记为UT1。地球的自转速率有不规则的变化，且有长期变慢的趋势，再对UT1进行地球自转速率周期变化的修正，就得到了UT2。10第六章智能变电站对时同步技术一、概述2时间的基本概念世界时存在的问题由于世界时UT系统以地球自转引起的太阳周日运动作为标准，即使经过修正，仍然存在未被修正的长期变化和不规则变化，因此还不能称为理想的时间计量系统，也不能满足现代自然科学对精确时间的需求。11第六章智能变电站对时同步技术一、概述2时间的基本概念原子时：以原子频标为基准的时间计量系统，叫做原子时（TA）。国际原子时：由分布于全球各地的原子钟共同参与产生的原子时，称为国际原子时。1971年，国际计量大会正式指定由国际时间局建立的原子时为国际原子时，并命名为TAI。12第六章智能变电站对时同步技术一、概述2时间的基本概念协调世界时（UTC）：国际原子时TAI和世界时UT1的结合。目前，智能变电站使用的IEC61850使用的就是UTC时间，而非北京时间。其起始时刻为1970年1月1日0时0分0秒。13第六章智能变电站对时同步技术一、概述2时间的基本概念闰秒：由地球自转速率不均匀性引起的UT1与TAI的差值，须采用在UTC时刻中加1秒或减1秒的闰秒（即跳秒措施来补偿）。近二十年来，世界时每年比原子时大约慢1秒，在确定原子时的七点后，二者间的时差逐年累积，到2010年已达34秒。14第六章智能变电站对时同步技术15第六章智能变电站对时同步技术一、概述2时间的基本概念地方时与时区划分：以本初子午线为起点，从西经7.5度到东经7.5度定义为零时区。以零时区两边界线分别向东和向西，间隔15度划分1个时区。全球共有24个时区。各时区均与自己的中央子午线的地方平太阳时作为本时区的标准时间。16第六章智能变电站对时同步技术一、概述2时间的基本概念北京时间：中央人民广播电台在整点发布的北京时间是国家授时中心产生并保持的东经120度的地方平太阳时。北京的地经度是东经116度19分，因此真正的北京地方时比法定的东8时区的北京时间要迟约15分钟。17第六章智能变电站对时同步技术一、概述3授时技术短波授时技术长波授时技术低频时码授时技术卫星授时技术18第六章智能变电站对时同步技术一、概述3授时技术——卫星授时GPS授时技术GLONASS授时技术GALILEO授时技术北斗授时技术19第六章智能变电站对时同步技术一、概述3授时技术——卫星授时GPS授时GPS时间是一种由GPS地面测控系统建立的时间坐标，它以美国海军天文台的协调时USNO为参考基准，其时间原点定义在USNO的1980年1月6日0时。20第六章智能变电站对时同步技术一、概述3授时技术——卫星授时GPS授时GPS时间与国际协调时UTC不同之处在于它不作闰秒修正，因而是一个连续的时间尺度；它与国际原子时相似，但与国际原子时（TAI）在任一瞬间都存在一个19秒的系统差。21第六章智能变电站对时同步技术22第六章智能变电站对时同步技术一、概述3授时技术——卫星授时GLONASS授时GLONASS是前苏联建立的类似于GPS系统的空基无线电导航系统。它由24颗卫星组成，它们均匀分布在3个轨道平面上，每个平面上分布8颗卫星。轨道倾角64.8度，轨道平面间隔120度。以莫斯科时间为基准，因此它与UTC时间存在3小时的系统差。23第六章智能变电站对时同步技术一、概述3授时技术——卫星授时GALILEO授时欧盟授时系统，由30颗高轨道卫星组成，轨道高度2.4万千米，倾角为56度。它能为用户提供精确的时间和误差不超过一米的全球精确定位服务。24第六章智能变电站对时同步技术一、概述3授时技术——卫星授时北斗授时——北斗一号“北斗一号”卫星定位系统由两颗地球静止卫星、一颗在轨备份卫星、中心控制系统、标校系统和各类用户机等部分组成，授时精度可达到100ns。25第六章智能变电站对时同步技术26第六章智能变电站对时同步技术一、概述3授时技术——卫星授时北斗授时——北斗二号“北斗二号”卫星导航系统是中国独立开发的全球卫星导航系统，授时精度可达到20ns。目前已发送的13颗北斗卫星导航系统组网卫星顺利送入太空预订转移轨道。预计2020年将建成由30多颗卫星组成的，覆盖全球的“北斗二号”卫星导航定位系统。27第六章智能变电站对时同步技术二、电力系统的时间同步系统1时间同步网的组成电力系统时间同步网由设在各级电网的调度机构变电站（发电厂）的时间同步系统组成。组成方式：基本式、主从式、主备式。28第六章智能变电站对时同步技术29第六章智能变电站对时同步技术二、电力系统的时间同步系统基本式时间同步系统结构图30第六章智能变电站对时同步技术二、电力系统的时间同步系统主从式时间同步系统结构图31第六章智能变电站对时同步技术二、电力系统的时间同步系统主备式时间同步系统结构图32第六章智能变电站对时同步技术二、电力系统的时间同步系统2时间同步装置的基本组成33第六章智能变电站对时同步技术三、智能变电站的对时方式智能变电站对时间同步准确度的要求34第六章智能变电站对时同步技术三、智能变电站的对时方式35第六章智能变电站对时同步技术三、智能变电站的对时方式1脉冲对时方式1PPS、1PPM、1PPH或可编程脉冲信号等。其输出方式有：TTL电平、静态空接点、RS-422、RS485和光纤等。36第六章智能变电站对时同步技术三、智能变电站的对时方式1脉冲对时方式特点：实现简单，可适用于以翻转序号为主要应用的装置，如合并单元等；抗干扰能力弱于IRIG-B码；不能传输完整的时间信息，需与串口报文等其他报文配合使用。37第六章智能变电站对时同步技术三、智能变电站的对时方式2IRIG-B码对时方式应用于时间信息传送的串行编码格式，有交流（AC）和直流码（DC）两种。38第六章智能变电站对时同步技术三、智能变电站的对时方式2IRIG-B码对时方式传输格式为1秒1帧，每帧共100个码元，每个码元占用10ms。分为3种码元，P码元、1码元、0码元。P码元对应高电平为8ms，0码元对应高电平为2ms，1码元对应高电平为5ms。P码元为一帧的开始，其中，第二个P码元为PPS，其上升沿为该秒的正秒时刻。P6后的码元均为标志位，标志包含时间质量、时区信息，还包括闰秒预告、夏时制预告等信息。IRIG-B码传输的时间为当地时间，而非UTC时间。39码元序号定义说明0Pr基准码元1-4秒个位，BCD码，低位在前0索引位置“0”6-8秒十位，BCD码，低位在前9P1位置识别标志#110-13分个位，BCD码，低位在前14索引位置“0”15-17分十位，BCD码，低位在前18索引位置“0”19P2位置识别标志#220-23时个位，BCD码，低位在前24索引位置“0”25,26时十位，BCD码，低位在前27,28索引位置“0”29P3位置识别标志#330-33日个位，BCD码，低位在前34索引位置“0”35-38日十位，BCD码，低位在前39P4位置识别标志#440，41日百位，BCD码，低位在前42-48索引位置“0”49P5位置识别标志#550-53年个位，BCD码，低位在前54索引位置“0”55-58年十位，BCD码，低位在前　40第六章智能变电站对时同步技术41第六章智能变电站对时同步技术三、智能变电站的对时方式3NTP/SNTP对时方式基于以太网的对时协议，传输基于UDP采用客户机/服务器工作方式不依赖于以太网芯片的硬件时标功能支持对时精度1-50ms，主要用于后台系统和远动机的对时42第六章智能变电站对时同步技术NTP协议网络体系结构三、智能变电站的对时方式3NTP/SNTP对时方式43第六章智能变电站对时同步技术三、智能变电站的对时方式3NTP/SNTP对时方式实现原理：假设发送请求和响应请求在以太网上的路径延时相同，即：则：通过求得的时钟偏差q，可以校正客户端的时钟。44第六章智能变电站对时同步技术三、智能变电站的对时方式3NTP/SNTP对时方式协议报文格式45第六章智能变电站对时同步技术三、智能变电站的对时方式4IEEE1588对时方式IEEE1588是一种采用主从结构的高精度网络时钟同步协议，可以达到亚微秒级的同步精度。1588为建立一个时间统一的分布式控制系统提供了一个切实可行的实现。全称为网络测量和控制系统的精确时钟同步协议，简称PTP协议。诞生于2002年，颁布了IEEE1588-200版标准，也称IEEE1588的V1版本。2008年颁布了V2版，提出了透明时钟的概念。46第六章智能变电站对时同步技术三、智能变电站的对时方式4IEEE1588对时方式PTP体系结构47第六章智能变电站对时同步技术三、智能变电站的对时方式4IEEE1588对时方式软件组成模型48第六章智能变电站对时同步技术三、智能变电站的对时方式4IEEE1588对时方式——几个概念1）PTP域应用了PTP协议的网络称为PTP域。PTP域内有且只有一个同步时钟，域内的所有设备都与该时钟保持同步。2）PTP端口主端口（MasterPort）发布同步时间的端口，可存在于BC或OC上；从端口（SlavePort）接收同步时间的端口，可存在于BC或OC上；被动端口（PassivePort）既不接收同步时间、也不对外发布同步时间的端口，只存在于BC上。49第六章智能变电站对时同步技术三、智能变电站的对时方式4IEEE1588对时方式——几个概念3）时钟节点普通时钟（OrdinaryClock，OC）在同一个PTP域中具有单个PTP端口参与时间同步，并通过该端口从上游时钟节点同步时间，也可作为时钟源，向下游时钟节点发布时间。边界时钟（BoundaryClock，BC）在同一个PTP域中具有多个PTP端口参与时间同步，通过其中一个PTP端口从上游时钟节点同步时间，并通过其他端口向下游时钟节点发布时间。当其为时钟源时，可通过多个PTP端口向下游时钟节点发布时间。50第六章智能变电站对时同步技术三、智能变电站的对时方式4IEEE1588对时方式——几个概念3）时钟节点透明时钟（TransparentClock，TC）与BC/OC相比，BC/OC需要与其他时钟节点保持时间同步，而TC则不需要。TC有多个PTP端口，但它只在这些端口间转发PTP协议报文并对其进行转发延时校正，而不会通过任何一个端口同步时间。TC包括两种类型：端到端透明时钟（End-to-EndTransparentClock，E2ETC）、点到点透明时钟（Peer-to-PeerTransparentClock，P2PTC）51第六章智能变电站对时同步技术三、智能变电站的对时方式4IEEE1588对时方式——几个概念3）时钟节点E2ETC直接转发网络中非P2P类型的协议报文，并参与计算整条链路的延时。P2PTC只直接转发Sync报文、FollowUp报文和Announce报文，而终结其他PTP协议报文，并参与整条链路上每一段链路的延时。52第六章智能变电站对时同步技术53第六章智能变电站对时同步技术三、智能变电站的对时方式4IEEE1588对时方式边界时钟54第六章智能变电站对时同步技术三、智能变电站的对时方式4IEEE1588对时方式透明时钟55第六章智能变电站对时同步技术三、智能变电站的对时方式4IEEE1588对时方式E2E透明时钟1）使用延迟请求响应机制测量主从时钟的路径延迟；2）主钟可以看到所有从钟，通信负担重；3）级联较多或环网结构时，路径延迟测量准确度不够。56第六章智能变电站对时同步技术三、智能变电站的对时方式4IEEE1588对时方式P2P透明时钟1）使用同等延迟测量机制测量主从时钟的路径延迟；2）主钟只能看到与它相连的下一级从钟；3）适用于星型及环型拓扑。57第六章智能变电站对时同步技术三、智能变电站的对时方式4IEEE1588对时方式对时原理：主、从时钟之间交互同步报文并报文的收发时间，通过计算报文往返时间差来计算主、从时钟之间的往返总延时，若网络对称，则往返总延时的一半就是单向延时，从时钟按照该偏差来调整本地时间，即可实现与主时钟的同步。两种传播延时测量机制：请求应答（Requset_Response）机制和端延时（PeerDelay）机制58第六章智能变电站对时同步技术三、智能变电站的对时方式4IEEE1588对时方式对时原理——请求应答机制59第六章智能变电站对时同步技术三、智能变电站的对时方式4IEEE1588对时方式对时原理——端延时机制60第六章智能变电站对时同步技术三、智能变电站的对时方式4IEEE1588对时方式时间格式：报文传输的时间是TAI时间。同时报文中包括当前时间的闰秒数，如目前的闰秒数为34秒，用TAI时间减去闰秒数即可得到UTC时间61第六章智能变电站对时同步技术三、智能变电站的对时方式4IEEE1588对时方式IEEE1588报文类型事件报文：也称为时间报文，需要在接收方打精准的时间戳的报文。通用报文：也称为普通报文，这些报文不需要产生精准的时间戳。62第六章智能变电站对时同步技术三、智能变电站的对时方式4IEEE1588对时方式IEEE1588报文类型事件报文1）同步报文：Sync报文2）延时请求报文：DelayReq报文3）同等延时请求报文：PDelayReq报文4）同等延迟响应报文：PDelayResp报文63第六章智能变电站对时同步技术三、智能变电站的对时方式4IEEE1588对时方式IEEE1588报文类型通用报文1）广播报文：Announce报文2）跟随报文：FollowUp报文3）延迟响应报文：DelayResp报文4）同等延迟响应跟随报文：PDelayRespFollowUp报文64第六章智能变电站对时同步技术三、智能变电站的对时方式4IEEE1588对时方式报文帧格式报文头（Header）Bits字节偏移高4位低4位transportSpecificmessageType10reservedversionPTP11messageLength22domainNumber14reserved15flagField26correctionField88reserved416sourcePortIdentity1020sequenceId230controlField132logMessageInterval13365第六章智能变电站对时同步技术三、智能变电站的对时方式4IEEE1588对时方式报文帧格式广播（Announce）报文包含主钟的各项属性，如时钟稳定度、主时钟标识，时钟源、TAI时间与UTC时间的差值等字段说明字节数偏移量Header340originTimerstamp1034currentUtcOffset244reserved146grandmasterPriority1147grandmasterClockQuality448grandmasterPriority2152grandmasterIdentity853stepsRemoved261timeSource16366第六章智能变电站对时同步技术三、智能变电站的对时方式4IEEE1588对时方式报文帧格式同步（Sync）报文用于测量主时钟与从时钟的时间偏移。一步时钟时，originTimestamp就是同步报文发送的时间戳；两步时钟时，为t1的估计值，可忽略。同步报文以一个固定的周期频率向外发送，通常为1秒。字段说明字节数偏移量Header340originTimerstamp103467第六章智能变电站对时同步技术三、智能变电站的对时方式4IEEE1588对时方式报文帧格式跟随（FollowUp）报文属于通用报文。当主时钟是两步时钟时，主时钟在发送完同步报文后，还将发送一个跟随报文，跟随报文的SequenceID与同步报文相同，PreciseOriginTimestamp则是同步报文发送的精确时刻值t1。字段说明字节数偏移量Header340preciseOriginTimerstamp103468第六章智能变电站对时同步技术三、智能变电站的对时方式4IEEE1588对时方式报文帧格式延迟请求（DelayReq）报文属于事件报文，是延迟请求响应机制的一个重要组成。originTimestamp的值可以为0，或者为发送DelayReq报文时刻的时间值。字段说明字节数偏移量Header340originTimerstamp103469第六章智能变电站对时同步技术三、智能变电站的对时方式4IEEE1588对时方式报文帧格式延迟响应（DelayResp）报文属于通用报文，它与延迟请求报文相对应。receiveTimestamp是延迟响应端收到DelayReq报文时刻的时间戳t4。字段说明字节数偏移量Header340receiveTimerstamp1034requestingPortIdentity104470第六章智能变电站对时同步技术三、智能变电站的对时方式4IEEE1588对时方式报文帧格式同等延迟请求报文（PDelayReq）属于事件报文，报文格式与DelayReq基本相同，增加了10个字节的备用数据。originTimestamp的值可以为0，或者为发送PDelayReq报文时刻的时间值字段说明字节数偏移量Header340originTimerstamp1034reserved104471第六章智能变电站对时同步技术三、智能变电站的对时方式4IEEE1588对时方式报文帧格式同等延迟响应报文（PDelayResp）属于通用报文。requestReceiptTimestamp是同等延迟响应端收到PDelayReq报文的时间戳t4。字段说明字节数偏移量Header340requestReceiptTimerstamp1034requestingPortIdentity104472第六章智能变电站对时同步技术三、智能变电站的对时方式4IEEE1588对时方式报文帧格式同等延迟响应跟随报文（PDelayRespFollowUp）属于通用报文。当两步时钟时，才会产生该报文。responseOriginTimestamp是同等延迟响应端发送PDelayResp报文的时间戳t5。字段说明字节数偏移量Header340responseOriginTimerstamp1034requestingPortIdentity104473第六章智能变电站对时同步技术三、智能变电站的对时方式4IEEE1588对时方式报文的链路层协议IEEE1588报文与GOOSE报文一样采用基于IEEE802.3的MAC地址多播方式，其使用的报文目的MAC地址为：除了同等延迟机制以外的所有报文：01-1B-19-00-00-00同等延迟机制报文：01-80-C2-00-00-0E74第六章智能变电站对时同步技术三、智能变电站的对时方式5几种对时方式的比较IEEE1588：技术基本成熟，不需要单独的对时网络，可用于全站所有设备的对时。但成本较高，主时钟与交换机可靠性还有待提高，在应用中会出现抖动等异常现象。IRIG-B：技术成熟，在系统中应用多年可用于全站所有设备的对时，但需要单独的对时网络。1PPS：主要应用于过程层设备，无法传输绝对时间报文，应用较窄，抗干扰能力较弱。75第六章智能变电站对时同步技术三、智能变电站的对时方式6智能变电站典型对时方案76第六章智能变电站对时同步技术四、智能变电站采样同步技术1、问题的由来基于IEC61850设计的智能变电站定义了采样值服务通过9-2报文传输，继电保护等自动化设备的数据采集模块迁移至合并单元，采用独立分散采样方式，且一二次电气量的传变附加了延时环节，导致各间隔互感器的二次数据间不具有同时性，无法直接用于保护自动化装置计算。解决办法：插值再采样同步、基于外时钟同步。77第六章智能变电站对时同步技术四、智能变电站采样同步技术2插值再采样同步思路：放弃合并单元的协调采样，不依赖外部时钟，而严格要求其等间隔脉冲采样以及精确的传变延时，继电保护设备根据传变延时补偿和插值计算在同一时刻进行重采样，从而保证各电子式互感器采样值的同步性。前提：严格要求合并单元等间隔脉冲采样，同时保证精确的传变延时。78第六章智能变电站对时同步技术四、智能变电站采样同步技术2插值再采样同步79第六章智能变电站对时同步技术四、智能变电站采样同步技术3基于外时钟同步思路：放弃对处理环节延时精确性的限制，采用统一时钟协调各互感器的采样脉冲，全部互感器在同一时刻采集数据并对数据标定，带有同一标号，从而实现数据同时性。继电保护装置通过判断包序号来判别是否是同一时刻的数据。80第七章IEC61850标准及其关键技术主要内容IEC61850介绍IED工程应用模型及通信服务系统配置GOOSE、SV传输技术基于MMS技术的通信服务映射81第七章IEC61850标准及其关键技术一、IEC61850介绍1、产生背景——规约角度通信接口：串口、现场总线、以太网通信传输规约：多为规范远动系统中的通信系统，IEC于1990年至2002年制定IEC60870系列标准（远动设备及系统）：变电站与控制中心通信的101、104规约和保护与监控系统通信的103规约厂家在技术水平、经验、理解等方面有差异，个性扩展，互操作问题突出，导致工程周期和成本增加82第七章IEC61850标准及其关键技术一、IEC61850介绍83第七章IEC61850标准及其关键技术一、IEC61850介绍1、产生背景——信息模型角度按点号数据含义不明84第七章IEC61850标准及其关键技术一、IEC61850介绍1、产生背景——信息模型角度按点号数据之间无关联85第七章IEC61850标准及其关键技术一、IEC61850介绍2、什么是IEC61850？由国际电工委员会第57技术委员会（IECTC57）从1995年开始制订的，目前IEC61850共14部分已经全部通过为国际标准。我国的标准化委员会对61850系列标准进行了同步的跟踪和翻译工作。全称是变电站通信网络和系统（CommunicationNetworksandSubstation），它规定了变电站内IED之间的通信行为和相关的系统要求。86第七章IEC61850标准及其关键技术一、IEC61850介绍2、什么是IEC61850？它吸收了多种国际最先进的新技术，并且大量引用了目前正在使用的多个领域内德其他国际标准作为61850系列标准的一部分。所以它是一个十分庞大的标准体系，而不仅仅是一个通信协议标准。它采用面向对象的建模技术，面向未来通讯可扩展框架，来实现“一个世界，一种技术，一个标准的目标”。87第七章IEC61850标准及其关键技术一、IEC61850介绍3、标准的特点开放性基于已有的IEC/IEEE/ISO/OSI可用的通信标准基础上，不考虑具体实现。先进性采用ACSI、SCSM技术；采用抽象的MMS作为应用层协议；自我描述，在线读取/修改参数和配置；采用SML语言来描述变电站的配置。完整性适用对象几乎包含了变电站内所有IED。88第七章IEC61850标准及其关键技术一、IEC61850介绍4、标准指定的主要目的互操作性为不同厂家的设备互联提供互操作性，即不同制造厂家提供的智能设备可交换信息和使用这些信息执行特定功能。自由配置满足变电站自动化系统（SAS）功能和性能的要求；可灵活配置，将功能自由分配到装置中，支持用户集中式（如RTU）和分散式系统的各种要求。长期稳定性支持未来的技术发展，因为它可兼容主流通讯技术而发展，并可伴随系统需求而进化。89第七章IEC61850标准及其关键技术一、IEC61850介绍5、IEC61850的构成90第七章IEC61850标准及其关键技术二、IED工程应用模型1、几个概念